复杂地质条件下超大直径灌注桩成孔工艺的选择

复杂地质条件下超大直径灌注桩成孔工艺的选择

陆彬军

上海公路桥梁（集团）有限公司上海200433

摘要：冲孔灌注桩是一种被普遍应用、技术成熟的钻进工艺，但在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时工效不高，尤其是在砂砾与高粘土结合层中进尺缓慢、粘锤和埋锤现象很多。本文以项目实例，通过分析旋挖冲孔结合、回旋冲孔结合两种替代方案的实际工效，探讨在复杂地质条件下超大超深灌注桩成孔工艺的选择。

关键词：灌注桩；冲击钻；回旋钻；旋挖机；成桩效率

1工程概况

信德横琴口岸服务区A03地块开发项目位于珠海市横琴口岸西侧，包含酒店、住楼、商用楼及地下室、商场。拟建场地由1栋约208米超高层塔楼、1栋约155米超高层塔楼、4层24米高裙楼及4层地下室组成，集商业、办公、酒店、公寓等多种业态为一体之综合体建筑。用地面积23834.28m2，总建筑面积：206707.22m2。本工程桩基工程共313根，其中裙楼区1.2m、1.5m、1.8m的小直径桩254条；塔楼区2.2m、2.6m、2.9m的大直径桩59根，设计有效桩长约70m（地面施工加空桩平均88m），抗压桩混凝土强度为C45，抗拔桩为C40，钢筋主材为三级钢。桩的持力层均为中风化花岗岩，并要求持力层的岩石饱和单轴抗压强度标准值Frk=28Mpa。

2场地工程地质条件

地质资料及施工过程揭露，本场地岩土层可划分如下分为人工填土层（Q4ml）、海相沉积层（Q4m）、海陆交互相沉积层（Q4mc）、花岗岩残积层（Q4el）和燕山三期（γ52-3）花岗岩，分层岩土物理学指标详见下表：

3桩基成孔施工方案工效测试

本项目灌注桩孔深50米~70米处，有一层砂砾与高粘土结合层（具有弹性、粘性），冲击钻成孔工艺进尺缓慢，多次发生粘锤和埋锤现象，成本高昂。后改用旋挖机破除此层，但实际施工效果仍然达不到预期，于是再次更改工艺，使用回旋钻成孔至岩层，然后用冲孔机施工至设计标高。下文对三种成孔方案的实际工效做对比分析。

（1）单冲孔机成孔施工阶段

该阶段施工采用冲孔桩机成孔工艺，以236A号桩为例（直径2.9m、终孔深度86.2m），施工功效见下表：

试验时旋挖机进尺方面取得明显效果，平均6天左右（在受场地限制，泥浆供应，泥渣外运的影响的条件下）进尺至强风化岩层约66.5m深度，岩层以下由冲孔桩机接力完成约需32天，正常施工累计耗时38天，停待9天，共47天。

另外在旋挖机试验过程中，旋挖钻头在砂层取土过程中确实取出了砂层中所含有的其它土层，经过现场确认，该类土为高岭土，高岭土极富有弹性及粘性，其富含在砂层中，在冲孔桩锤冲击作用下与砂层逐渐形成咬合板层，所以出现粘锤现象，导致进尺缓慢，进度滞后。

（3）回旋冲孔结合工艺结合成孔施工阶段

旋挖冲孔结合成孔工艺极大地提高了施工工效，但是也存在以下问题：对泥浆需求量大、场地要求高、垂直度与冲孔桩机垂直度不一致。

针对第二阶段旋挖冲孔结合工艺的弊端和缺点，项目部改用回旋钻机代替旋挖机成孔。施工工效见下表（209号桩，直径2.9m）：

回旋钻机施工比较稳定、顺利，进尺至岩层后交由冲孔桩机接力施工，未发生孔内卡锤现象，正常施工耗时21天，停待2天，总计23天成孔。

4成孔工艺特点对比

4.1冲孔桩机施工特点

4.1.1冲孔桩机优点

适应性广，技术成熟，适合在各种地层中施工，能穿越各类复杂地层，较易穿过岩层；桩长、桩径选择范围大，单桩承载力高，成桩质量较好，适应各种地质条件和不同规模的建筑物等优点。

4.1.2冲孔桩机缺点

1）冲孔灌注桩的施工工艺虽然成熟，但在一般土层中施工速度相对较慢，在砂砾与高粘土结合层进度缓慢，粘锤情况多。

2）桩机笨重，移动不方便，在大型房建工程中大量冲击桩机施工地情况下，需配备足够的吊车辅助移机，成本高。3）耗电量大，提锤时瞬时电流大，对临时用电系统要求高。

4）要造浆，在市区施工时容易造成污染，对文明施工不利；同时由于工艺特点，依靠泥浆循环将孔底的岩渣带出，对及时准确判断入岩带来一定的影响。

5）桩基距离近时要跳位开孔，对工期不利，因为冲击时对地层震动极大，市区施工时噪音特别大。

4.2旋挖冲孔结合工艺特点

4.2.1旋挖冲孔结合工艺优点

1）旋挖桩机自动化程度高、成孔速度快、质量高。但在破碎状强风化岩以及中风化岩层中施工困难，而冲孔桩机在岩层中施工进尺相对较快，且孔内事故率低。根据以上特点，取长补短，组合施工，极大地提高了在一般土层，尤其是砾砂层中的施工进度，降低施工成本。

2）旋挖桩机伸缩钻杆不仅向钻头传递回转力矩和轴向压力，而且利用本身的伸缩性实现钻头的快速升降，快速卸土，以缩短钻孔辅助作业的时间，提高钻进效率。

3）旋挖机施工阶段环保特点突出，施工现场干净。

4.2.2旋挖冲孔结合工艺缺点

1）对泥浆需求量大

因旋挖机开挖钻进无法采用原土造浆，施工一根旋挖机至70m位置至少需要进460方预制泥浆，同时需要满足两台旋挖机、裙楼区桩机冲孔所需泥浆，对现场泥浆池要求特别高，由于场地有限无法满足，成为旋挖机施工受限主要原因之一。

2）场地要求高

旋挖机自重约80t，在孔口施工时需填好工作平台，且旋挖机回转作业对工作面要求，施工时必须保证周边作业机械有一定距离，再加机身所占空间、临时所挖孔内渣土堆放，至少需要100m2的作业面，在本工程塔楼区下的工作区域非常受限制，且同时期场地内有40台冲孔桩机施工，在工期、场地、现场实际情况综合下，旋挖机不适合在设备密集区作业。

3）垂直度与冲孔桩机垂直度不一致

虽然旋挖机施工、冲孔桩机施工均能满足设计垂直度1%的要求，但实际施工中，冲孔桩机在顺接时，是靠自重接顺，其垂直度几乎是0，因垂直度不同，且桩基础较深，导致冲孔桩机需要重新修孔，在修孔过程中发生多次卡锤现象，非常影响施工进度，虽然对比单冲孔机成孔工艺有明显改善，但从总体工期考虑，仍然需要作出改进。

4.3回旋冲孔结合工艺特点

4.3.1回旋冲孔结合工艺优点

1）回旋钻机成孔圆顺，垂直度误差小，进尺至岩层后由冲孔桩机施工至设计嵌岩深度，有效地解决了旋挖冲孔结合中所碰到的前后工艺衔接问题

2）回旋钻机施工阶段振动小、噪音低，在穿透一般土层及砾砂层时效率高。

3）由于回旋钻机施工无噪音，无震动，无挤压，有效减少了施工作业对周边环境的影响时间。

4.3.2回旋冲孔结合工艺缺点

1）用水量大，泥浆排放量大，污染环境。

2）扩孔率较难控制。

3）工艺要求高，配套设备多。

5结语

本工程自开工到最后完成施工，前后使用了三种成孔方案，从单纯采用冲孔机成孔，到冲孔旋挖结合冲孔，在工艺衔接及工效仍出现问题的情况下，及时改用旋挖冲孔结合成孔工艺。以实际施工效果来看，冲孔机总体成本较低，岩层中的成孔质量可靠，但施工作业期长，对于覆盖层厚、砾砂层夹杂高岭土这样的地质条件下，需结合其他成孔工艺。在两种结合工艺中，回旋钻机与冲孔机衔接顺利，而旋挖机由于垂直度偏差及在孔壁上形成的螺旋线等问题容易造成冲孔机卡锤等现象。在现代超高层建筑施工中，越来越多的超大超深灌注桩得到应用，在复杂地质条件下，单一的成孔工艺已经不能满足施工技术的需求，多工艺的结合能明显提高效率，降低成本。本工程施工经验可供具有相似地质情况的工程借鉴使用，但需根据具体情况作进一步分析和比选。

参考文献：

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【3】马占生,刘恒.浅析超大直径、超深桩基中回旋钻与冲击钻联合施工的技术[J].科技信息,2014,(11):32+27.

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